印制線路板問題

問：前面介紹了有關(guān)單純電阻的問題，的確一定存在一些電阻，其性能完全符 合我們的預(yù)料。請問一段導(dǎo)線的電阻會怎樣呢?

答：情況不一樣。大概你所指的是一段導(dǎo)線或者是起導(dǎo)線作用的印制線路板 中的一段導(dǎo)電帶。由于室溫超導(dǎo)體至今還沒問世，所以任何一段金屬導(dǎo)線都起到低阻值電阻 器的作用(它也具有電容和電感的作用)，這樣必須考慮它對電路的影響。

問：在小信號電路中一段很短的銅線所具有的電阻一定不重要吧?

答：讓我們考慮輸入阻抗為5kΩ的16位ADC。假定到ADC輸入端的信號線由典型的 印制線路板(厚度為0038 mm，寬度為025 mm)長度為10 cm的導(dǎo)電帶 構(gòu)成。在室溫條件下它具有約018 Ω的電阻，這個電阻稍小于5 kΩ×2×2 -16 ，在 滿度時會產(chǎn)生2 LSB的 增益誤差，見圖131。

圖131 印制線路板導(dǎo)電帶的形成電阻

可以證明，假如印制線路板的導(dǎo)電帶做得比較寬(實際上已經(jīng)如此)，則上述問題可能減 輕 。在模擬電路中通常使用比較寬的導(dǎo)電帶為好，但是許多印制線路板的設(shè)計者(和印制線路 板設(shè)計程序)更喜歡采用最小寬度的導(dǎo)電帶以便于信號線的布置?？傊?，在所有可能出現(xiàn)問 題的地方，計算導(dǎo)電帶的電阻并分析其作用，這是非常重要的。

問：寬度過大的導(dǎo)電帶與印制線路板背面的金屬層構(gòu)成的電容會有問題嗎?

答：問題很小。雖然由印制線路板的導(dǎo)電帶構(gòu)成的電容很重要(即使是低頻電路 也 應(yīng)引起重視，因為低頻電路也能產(chǎn)生高頻寄生振蕩)，但總是應(yīng)該先估算一下。如果不存在 上述情況，即使較寬的導(dǎo)電帶形成很大的電容也不會帶來問題(見圖132)。倘若帶來問題 ，可去掉一小塊接地平面的面積，以減小對地的電容。

圖132 印制線路板導(dǎo)電帶形成的電容

問：這個問題先留一下!什么是接地平面?

答：假如一塊印制線路板的整個一面(或者一塊多層印制線路板的整個夾層)的銅 箔用來接地，那么這就是我們所說的接地平面。任何地線的排布都要使其具有盡可能小的電 阻和 電感。倘若一個系統(tǒng)使用一個接地平面，那么它受接地噪聲影響的可能性很小。另外接地平 面也具有屏蔽和散熱的作用。

問：這里所說的接地平面對制造廠家來說很困難，對嗎?

答：在20年前這方面確實有些問題。今天由于印制線路中的粘結(jié)劑、阻焊劑 和波峰焊技術(shù)的改進使制造接地平面已成為印制線路板的常規(guī)作業(yè)。

問：你說一個系統(tǒng)使用一個接地平面使其遭受地噪聲的可能性很小，留下來的接地 噪聲問題還有什么不能解決?

答：一個接地噪聲系統(tǒng)的基本電路如圖133所示。盡管有一個接地平面，但是其 電阻和電感卻不為零――倘若外部電流源足夠強，它將影響精密的信號。通過合理地排布印制線路板，使大電流不能流到影響精密信號產(chǎn)生接地電壓的區(qū)域，這 個問題就能減到最小。有時在接地平面上斷開或開縫可以使大的接

圖133 接地噪聲系統(tǒng)基本電路

地電流從敏感區(qū)域改變流向，但是強行改變接地平面也能使信號繞道進入靈敏區(qū)域，所以這 樣的工藝技術(shù)必須小心使用。

問：怎樣才能知道在一個接地平面上產(chǎn)生的電壓降?
答：通常電壓降可以測量到，但有時候可以根據(jù)接地平面材料的電阻(標稱1盎司 銅具有045mΩ/□的電阻)和電流所經(jīng)過的導(dǎo)電帶的長度進行計算，不 過計算可能很復(fù)雜 。在直流到低頻(50kHz)范圍內(nèi)的電壓可以用儀表放大器，如AMP02或AD620進行測量，如 圖134所示。

圖134 用儀表放大器和示波器測量接地平面的電壓 降
放大器增益設(shè)定為1000，并連到靈敏度為5mV/div的示波器上。放大器可以用被測電路 的同一電源供電，或者用自身電源供電。但放大器的地假如與其電源地分開，則示波器必須 連接到所用電源電路的電源地。

接地平面上任意兩點間的電阻可以用探頭加到這兩點上進行測量。放大器增益和示波器 靈敏度綜合起來可使測量靈敏度達到5μV/div。放大器的噪聲將增大示波器波形曲線的寬度 ，大約為3μV,但還是有可能使測量的分辨率達到約1μV水平――這足夠判別大多數(shù)接地噪 聲，并且置信度可達80%。

問：有關(guān)上述測試方法應(yīng)該注意什么?

答：任何交變磁場在探頭引線上都會感應(yīng)出電壓來，這可以用探頭相互 短路來試驗(并且對地電阻提供一個偏流路徑)，觀察示波器波形圖。所觀察到的交流波形就 是由于感應(yīng)所產(chǎn)生的，可以用改變引線位置或設(shè)法消除磁場使其減少到最小。另外，保證放 大器的地線連接到系統(tǒng)的地線上也是很必要的。如果放大器設(shè)有這個連接就沒有偏流返回路 徑，放大器不能工作。接地還應(yīng)該保證所用的接地方法不會干擾被測電路的電流分布。

問：高頻接地噪聲如何測量?

答：使用合適的寬頻帶儀表放大器測量高頻接地噪聲是很困難的，所以使用高頻 和 甚高頻無源探頭較為適當。它由鐵氧體磁環(huán)(外徑為6～8mm)組成，磁環(huán)上有兩個線圈，每個 線圈6～10匝。為了構(gòu)成一個高頻隔離變壓器，一個線圈連到頻譜分析儀輸入端，另一個線 圈連到探頭。

測試方法與低頻情況類似，但頻譜分析儀用幅頻特性曲線表示噪聲。這與時域特性不同 ，噪聲源可以根據(jù)它們的頻率特征很容易進行區(qū)別。此外使用頻譜分析儀的靈敏度至少比使 用寬頻帶示波器高60 dB。